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考虑流固耦合的富水软土盾构施工地表沉降分析

唐少帅 洪勇 李苍松  李亮  李子睿  王陆阳 
(1.青岛理工大学 土木工程学院,青岛 266033;2.中铁西南科学研究院有限公司,成都 610031)
摘要:目前针对富水软土地层盾构施工过程中的地表沉降问题还缺乏足够的理论研究。以青岛地铁8号线盾构隧道穿越富水软土地层段为工程背景,基于流固耦合原理并采用FLAC3D数值软件,对在地下水和地表水共同作用下盾构施工引起的地表沉降问题进行了分析。研究结果表明:地表横向沉降槽呈高斯分布;地表中心点随掌子面推进的纵向沉降曲线呈拉伸的“Z”形;地下水作用对地表沉降有较大影响,地表水影响相对较弱。所得结论将对富水软土地层中实际地铁工程建设提供一定的指导和借鉴。
关键词:富水软土;地表沉降;FLAC3D;盾构;流固耦合
  随着我国现代化的发展和城市规模的不断扩大,各大城市都掀起了一股修建地铁的热潮。其中,盾构施工已成为目前地铁修建的主要形式。当盾构隧道穿越富水软土地层时难免会对土体产生扰动,引起地表沉降。
  目前,国内外学者针对富水软土地层盾构施工引起的地表沉降问题开展了一定的研究与分析工作。其中,漆泰岳等应用FLAC3D对富水软土地铁隧道开挖过程进行数值模拟,得到了地表沉降和地层固结沉降曲面;孙厚超等基于流固耦合分析理论,利用有限元分析软件对富水地区隧道开挖引起的地表沉降进行了分析;徐学勇等以某盾构穿越海塘为工程实例,采取理论解析法与数值模拟相结合的方法对地表沉降变形进行了计算和分析;陈宇等基于流固耦合原理,考虑了隧道开挖、管片拼装等施工步骤,研究了双圆隧道盾构施工土体沉降的变化特征;王小军等通过现场实测和数值模拟,揭示了滨海软土地铁单双线隧道盾构法施工地表沉降效应。上述研究在一定程度上揭示了富水软土地层盾构施工中的地表沉降规律,但相关研究还只是考虑地下水的作用甚至忽略了水的作用效果,对盾构穿越沼泽地或养殖池这种存在地下水和地表水共同作用的软土地层的分析鲜有报道。
  本文依托青岛地铁8号线工程,采用FLAC3D数值软件的流固耦合计算模式,在考虑地下水及地表水共同作用的影响下分析了富水软土地层盾构施工引起的地表沉降变化规律,并设置不同的工况条件对地下水和地表水的作用效果进行了进一步的研究。
1 工程概况
  青岛地铁8号线自胶州北站起经沿线各站到达五四广场,全长约61.4 km,是连接青岛主城区、红岛经济区与新建胶东国际机场的重要骨干线路。其中,8号线市民健身中心站—观涛站区间设计长度约4434.382m,隧道覆土10.5~32.5m,区间隧道右CK29+160.178~右CK32+400(长3239.822m)段采用盾构法施工。市民健身中心站—观涛站区间路线如图1所示。
  本文选自盾构穿越养殖池一带某段为研究区间,如图1中所示。该区间水位面在地表面以上2m,地表面以下土体均为饱和状态。盾构施工主要影响范围内的土层为:②1黏土、②2-1淤泥质粉质黏土、②2-2含有机质粉质黏土、③粉质黏土、④全风化泥质砂岩,隧道主体主要穿越③粉质黏土。该区间为典型的滨海富水软土地层,计算断面地质状况如图2所示。
2 数值模拟
  由工程经验和理论研究可知,单线隧道施工过程中产生的应力和变形的影响范围大致为3~5倍开挖洞径。所以考虑边界效应的影响并结合实际工程和模拟过程的需要,模型X,Y,Z的尺寸设为62m×144m×46m,共分为153000个单元,159210个节点,如图3所示。数值模型中,将盾尾间隙简化为均质弹性的注浆层,厚度为0.2m;管片衬砌厚度0.35m,采用实体单元模拟。根据实际工程勘测结果,并参考相关研究文献,土体及材料的物理力学参数取值见表1。
 FLAC3D流固耦合计算考虑了固体介质的可压缩性,假设土体为理想的多孔介质,则Biot系数α 和Biot模量M为
  式中:K为体积模量;Ks为土颗粒的体积模量;Ku为介质的不排水体积模量。
  流固耦合计算中,采用渗流模式,土体应用M-C模型。渗流计算时采用显式差分法,其中渗透系数、孔隙率、干密度等渗流计算参数,根据表1数据并参考相关研究进行赋值。渗流边界条件中,模型的表面设为透水边界,底面及四周设为不透水边界;隧道开挖掌子面设为透水边界,隧道四周设为不透水边界。力学边界条件中,地表为自由面,四周及底面采用法向位移约束条件。
  模型中设置盾构施工的循环进尺为2.4m(2个管片衬砌的宽度),分60步完成。为模拟地表水的作用效果,设置初始应力时在模型的顶部施加2m的水头压力。为提高FLAC3D软件流固耦合的计算效率,模拟时简化了盾构施工的过程,主要实现对土体开挖、掌子面支护、管片衬砌支护及盾尾注浆的模拟。FLAC3D盾构施工流固耦合计算流程如图4所示。
3 流固耦合计算结果分析
  盾构沿Y轴向前推进,设置Y=72m处为监测横断面,X=31m处为监测纵断面,各地层中心点连线为监测线,下文中分别简称为监测横断面、监测纵断面、监测线。设盾构从洞口开始向前推进的距离用L表示,则富水软土地层中盾构施工引起的地表沉降情况如图5—10所示。
3.1 地层横向沉降分析
  图5为盾构推进至L=72m和L=144m时监测横断面处的沉降云图。可以看出,盾构施工可引起地层位移,隧道上方产生明显的地层沉降,隧道下方产生地层隆起;监测横断面沉降以隧道中心线为中心呈左右对称分布,沉降量由中间向两侧逐渐减小。
  图6为不同开挖距离下监测横断面处的地表沉降曲线。当盾构推进到L=72m处时,监测横断面上方地表最大沉降量为11.6mm,继续向前推进至L=108m,L=144m处时,其值依次增加到12.0,12.3mm,相邻两段增量分别为0.4,0.3mm。可以看出,盾构通过监测横断面持续向前推进过程中,其上方地表沉降会继续增加,但增量较小且增速逐渐减缓,最后趋于稳定。
  图7为盾构贯通后监测横断面处各地层沉降曲线。如图所示,盾构施工引起的地表横向沉降槽呈高斯分布,地表最大沉降量为12.5mm;不同地层,沉降量变化趋势基本一致,且随深度的增加沉降量逐渐增大,到隧道拱顶处达到最大值为27.3mm;盾构施工引起的地表横向沉降主要影响范围大致为5D(D为隧道直径)。
3.2 地层纵向沉降分析
  监测纵断面处的沉降云图如图8所示。由图可见,盾构施工引起的地层位移由隧道向周围土体逐渐减小,盾构掌子面后方的地层沉降明显大于前方;随着盾构的推进掌子面前方各地层的沉降量不断增大,后逐渐趋于稳定,同一地层的累计沉降量最终基本一致。
  如图9所示,各地层中心点随掌子面推进的纵向沉降曲线呈拉伸的“Z”形,且随深度的增加曲线在监测线处的斜率逐渐增大;盾构掌子面距监测线10m处时地表中心点沉降开始逐渐发展,到达监测线时发展最快,此时地表中心点纵向沉降曲线的斜率最大为1.48mm/m,在通过监测线20m后地表中心点沉降基本稳定。
3.3 不同工况条件下的地表沉降分析
   为了进一步研究地下水、地表水作用对富水软土地层盾构施工中地表沉降的影响,现设置5种不同的工况条件:工况1(无地表水不考虑流固耦合),工况2(无地表水考虑流固耦合),工况3(2m地表水不考虑流固耦合),工况4(2m地表水考虑流固耦合),工况5(5m地表水考虑流固耦合)。分别对5种工况进行模拟,得到的监测横断面处地表沉降对比曲线如图10所示。
  图10(a)中,工况1—4的地表最大沉降量依次为:7.8,11.9,8.3,12.3 mm。工况2的地表最大沉降量比工况1大4.1 mm,工况4的地表最大沉降量比工况3大4.0mm,通过对比工况1,2 和工况3,4,可以看出考虑流固耦合效应下的地表最大沉降量比不考虑流固耦合时明显增大。总结相关学者的研究并结合三维固结理论不难发现,在考虑流固耦合效应时,产生地表沉降的原因不仅是拱顶上部土体受扰动后向隧道内的移动,更主要的是盾构开挖使土体中孔隙水压力降低进而产生的排水固结。由此可见,盾构施工过程中地下水的作用对地表沉降有着较大的影响。
  图10(b)中,假设实际地铁工程中分别存在0,2,5m地表水,则工况2,4,5的地表大沉降量分别为:11.9,12.3,13.4 mm。与工况2相比,工况4和工况5的地表最大沉降量分别增加0.4和1.5mm,增加量较小,由此可见,盾构施工中地表水作用对地表沉降的影响较小。
4 结论
  1)在考虑流固耦合效应下,青岛富水软土地层盾构施工引起的地表横向沉降槽呈高斯分布,地表最大沉降量为12.5mm;地表横向沉降主要影响范围大致为5D(D为隧道直径);盾构通过监测横断面继续向前推进时,其上方地表沉降会缓慢增加,最后逐渐趋于稳定。
  2)各地层中心点随掌子面推进的纵向沉降曲线呈拉伸的“Z”形;当盾构开挖到监测线处时,地表中心点沉降发展最快,此时纵向沉降曲线的斜率最大为1.48mm/m;随盾构的推进,同一地层沿开挖方向的累计沉降量最终基本一致。
  3)青岛富水软土地层盾构施工过程中,地下水作用对地表沉降有着较大的影响,地表水影响相对较弱。因此,实际地铁施工中,通过一定排水措施及地基处理方法减少土层中地下水的含量,使土体预先完成排水固结,可有效控制盾构施工过程引起的地表沉降。
  4)青岛富水软土地层,由于地形特殊且存在地下水和地表水的共同作用,所以对此地段的数值模拟研究显得意义重大,将对地铁工程的实际施工和安全防护提供一定的参考。

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